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新型混合多电平整流器低谐波调控策略研究

新型混合多电平整流器低谐波调控策略研究

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作者：刘浩山东大学

学位级别：硕士

能源的生产利用是社会发展的重要基石,发展经济的同时必须重视伴随而来的能源危机与环境污染问题。目前,不可再生能源供需矛盾日益严重,且化石能源的大量消耗带来一系列环境污染问题。电动汽车采用动力电池组和电机驱动,使用电力这一清... 详细信息

能源的生产利用是社会发展的重要基石,发展经济的同时必须重视伴随而来的能源危机与环境污染问题。目前,不可再生能源供需矛盾日益严重,且化石能源的大量消耗带来一系列环境污染问题。电动汽车采用动力电池组和电机驱动,使用电力这一清洁能源,排放污染低,消耗能源少,其大力发展是解决能源危机和环境污染的重要手段。而整流器作为电动汽车充电系统的核心环节,起着至关重要的作用,其优良性能是电动汽车得以推广的重要基础。目前整流器主要有两电平整流器、三电平T型整流器、三电平Vienna整流器等。相较于低电平变换器,多电平变换器具有诸多优点,如电压谐波含量小、dv/dt低、结构模块化、冗余度高、器件电压应力小等,受到了越来越多的关注。但同时多电平整流器也存在一系列问题亟需解决,如开关数量多、成本高、电流谐波高、电流畸变、中点电压平衡、悬浮电容电压平衡、抗干扰性较弱等。因此,本文设计了一种新型混合多电平整流器(Novel Hybrid Multilevel Rectifier,NHMR),以其为研究对象,以模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)、同相载波层叠调制(In Phase Disposition Sinusoidal Pulse Width Modulation,IPD-SPWM)为手段,以实现低谐波高效率运行为目标,重点围绕电流谐波降低、电流畸变消除、控制策略优化、中点电压平衡、悬浮电容电压平衡等问题开展研究,主要工作内容与创新点如下:1、本文提出了一种新型混合多电平整流器,建立起数学模型,详细分析该拓扑的结构和工作原理,列举出各种开关状态与导通路径,揭示了其电流畸变的机理。所提出的新型混合多电平整流器与其他多电平拓扑相比,开关数量更少、无需独立电源、成本更低、损耗更少。2、以新型混合多电平整流器为研究对象,针对电流快速跟踪、电流畸变消除、中点电压平衡、悬浮电容电压平衡、计算简化等目标,提出了一种四层协调模型预测控制方法(Four Layered Coordinated Model Predictive Control,FLCMPC)。在第一层,通过筛选矢量有效消除了电流畸变;在第二层,根据模型预测控制设计了电流跟踪价值函数,实现快速跟踪电流,并通过旋转扇区减小了计算量;在第三层,对电压矢量和开关状态进行还原;在第四层,构造第二步价值函数实现中点电压平衡和悬浮电容电压平衡。仿真和实验验证了所提方法的有效性。3、为进一步降低电流谐波和提高等效开关频率,针对新型混合多电平整流器设计了一种同相载波层叠调制方法。该方法通过比较调制波与一系列幅值不同、相位相同的载波得到驱动信号。并通过对时间区间ωt进行划分,重新确定了开关状态序列,消除了电流畸变。通过注入补偿电压实现中点电压平衡,按照充放电原则设计开关顺序平衡悬浮电容电压。并设计电压外环、电流内环,实现对NHMR整流器的双闭环控制。仿真和实验验证了所提方法的有效性。4、为了实现功率双向流动,将新型混合多电平整流器NHMR改为双向新型混合多电平整流器(Bidirectional Novel Hybrid Multilevel Rectifier,BNHMR),并针对单矢量模型预测控制在电流跟踪精度以及权重因子方面的问题,提出了一种改进双矢量模型预测解耦控制策略。相较于单矢量策略,该方法能够进一步提升电流跟踪精度,无需构建第二步价值函数即可实现电容电压平衡,消除了权重因子。但同时也面临一定困难,如需要重新分配矢量占空比,中点电压平衡与悬浮电容电压平衡相耦合,因此设计了一种解耦控制方法,同时实现了中点电压平衡和悬浮电容电压平衡。仿真和实验验证了所提方法的有效性。

关键词：新型混合多电平整流器模型预测控制同相载波层叠调制电流低谐波电容电压平衡

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